Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ

Центр превосходства: «Наноструктурная электроника»

Кафедра: «Микро- и наноэлектроника»

«Компьютерный практикум»

Новые углеродные наноматериалы. Получение, исследование, перспективы применения

                                                                                                          Выполнил: студент группы А04-09

Кузьмин И.О.

Преподаватель: доц. В.А. Лапшинский

Москва 2016

НИК: KuzminI

Аннотация

Данная книга посвящена изложению основных сведениях, свойствах, механизмов образования и и методов синтеза углеродных наноматериалов. Авторы рассказывают о технологиях производства углеродных наноструктурных материалов. Также в книге представлены основные характеристики модифицированных материалов. Книга будет полезна для научных работников различных областей техники, студентов, аспирантов.

Ключевые слова: электроника, углерод, наноматериалы, композит

Глоссарий

Графен – двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp²-гибридизации и соединённых посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку.

Углеродная нанотрубка (УНТ) – это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров (при этом существуют технологии, позволяющие сплетать их в нити неограниченной длины), состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена.

Однослойная нантрубка (ОУНТ) – свернутый в цилиндр лист графена, обладающий полупроводниковыми или металлическими свойствами в зависимости от конкретной схемы сворачивания.

Оглавление

Введение

Получение графена, УНТ и композитов на их основе

Теплопроводность

Применение структур

Заключение

Список литературы

Введение

В настоящее время одним из самых перспективных материалов для применения в наноэлектроники считаются углеродные нанотрубки (УНТ) благодаря своим особым механическим и электронным свойствам.

Сочетание малых размеров и особых физических свойств делает УНТ перспективными для применения в композитных материалах. В последнее время получили развитие Многослойные УНТ (МУНТ), которые имеют большую механическую стабильность и жесткость, чем однослойные. Введение УНТ и фрагментов графена в композитные материалы позволяет улучшить их механические свойства: жесткость, прочность и твердость материала.

За последние несколько лет было проведено множество экспериментальных и теоретических исследований, посвященных моделированию и синтезу структур из ковалентно и молекулярно связанных ОУНТ и фрагментов графена. Эти исследования показали, что свойства полученных материалов заметно превосходят механические и электронные свойства отдельно взятых УНТ и графена. Такие материалы имеют большой потенциал в будущем. [3]

Получение графена, УНТ и композитов на их основе

Графен можно получить несколькими способами. Однослойный графеновый лист можно получить методом отшелушивания от высокоориентированнго пиролитического графита.

Существует несколько методов получения УНТ: распыление графитовых электродов в плазме дугового разряда в атмосфере горящего гелия при высокой температуре, выращивание методом распыления графита в электронном пучке, выращивание на подложке с металлическими частицами катализатора при постоянной подаче газа - источника углерода, разложение CO при высокой температуре.

УНТ могут быть получены в растворе методом прямого протонирования в серной кислоте, олеуме и других веществах, а также могут быть выращены на различных подложках в присутствии катализаторов. Полученный материал может быть использован в наноразмерных электромеханических устройствах.

В 2008 г. была создана гибридная пленка, состоящая из оксида графита и МУНТ. Для этого они синтезировали и очистили оксид графита методом Хаммера [4]. МУНТ была растворена в демитилформамиде при воздействии ультразвука, затем индивидуальные листы оксида графита и растворенные МУНТ были перемешаны и помещены на стеклянную поверхность и высушены. Толщина полученной пленки составила от 2 до 8 микрометров.  На Рис. 1 представлена структура пленок на основе оксида графита и УНТ.

               а     

     б                                    в

Рис. 1.  Структура пленок на основе оксида графита и УНТ: а – вид сверху (снимок с оптического микроскопа); б – изображение сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) поперечного сечения пленки толщиной 2 микрометра, соотношение оксид графита/МУНТ; в – изображение СЭМ поперечного сечения пленки толщиной 3.5микрометра, соотношение оксид графита/МУНТ.

Через год был предложен другой способ получения подобных пленок, состоящих из двух слоев: оксида графита и МУНТ методом самосброски.  Для этого оксид графита был расслоен и рассеян в дистиллированной воде. Для приготовления пленки, подложку погрузили в полученный раствор на 1 час, затем промыли водой и этанолом, высушили в потоке азота. После этого обработанную подложку погрузили в водный раствор, промыли, высушили и подвергли термической обработки.

Чисто углеродная структура из нанотрубок и графитовых листов была впервые получена методом химического осаждения из пара. Для этого на кремниевую подложку распыляли катализатор - пленку из кобальта и нитрида титана. После этого подложку поместили в камеру низкого давления при температуре 510 С. Аргон и ацетелен были использованы в качестве источника углерода. Рост продолжался 10 минут, а скорость роста составила около 670 нм/мин. Полученная композитная структура представлена на Рис. 1. Она была исследована с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и просвечивающей электронной микроскопии (Рис. 2)

                            а                                                               б

Рис. 2. а – изображение метода прикрепления УНТ к графену; б – изображение СЭМ полученного композита

Также в 2009 году году был выращен особый композит, для которого в качестве углеродной подложки был использован терморасширяемый графит или углеродные волокна. На углеродную подложку поместили тонкий слой каталического железа. На слой катализатора нанесли слой , что привело к образованию островков каталитического железа на предыдущем слое. Рост происзодил при высоком давлении, и температуре 1050 К. Такие условия способствовали быстрому росту леса УНТ, содержащему двухслойные и многослойные нанотрубки [1]. Вся схема эксперимента представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема роста композита

Теплопроводные свойства

Были исследованы тепловые свойства композитных материалов, представленных на рис. 2. Показано, что термическая проводимость вдоль направления листа графена в системе значительно больше, чем в направлении УНТ, так как данный материал имеет большую пространственную неоднородность. [1] Значения теплопроводностей и тепловых потоков для различных систем приведены в табл.1

Таблица 1. Теплопроводности

Применение структур

Благодаря большой проводимости и хорошим механическим свойствам, представленные выше соединения могут быть применены в различных областях электроники: наноэлектронике, фотоэлектронике. УНТ могут использоваться, как материал для хранения водорода. Композит, состоящий из графена и УНТ, является перспективным материалом для электродов в ванадиевых окислительно-восстановительных аккумуляторах. Был разработан УНТ/графен бутерброд для использования в качестве электрода в суперконденсаторах. Такая структура обладает электрохимической стабильностью и большой емкостью, которая увеличивается на 20% после 2000 циклов перезарядки.

Было обнаружено, что массив УНТ способен проводить электрический ток в течение длительного времени под действием видимого света. Благодаря этому появляется возможность  создания солнечных батарей нового поколения. [2]

Заключение

В данной работе были представлены основные методы создания УНТ-графен композита, которые основаны в основном на механическом смешивании индивидуально растворенных компонентов с последующим осаждением и высушиванием. Однако существуют и другие методы, которые основаны на применении самоагрегации и прямом росте композитного материала.

Полученные материалы могут найти широкое применение в производстве проводящих пленок, а также в различных наноустройствах и наноэлектрических системах.

Список литературы

1. Сладкова, Т.А. Новые углеродные наноматериалы: получение, исследование, перспективы применения/ Т.А. Сладкова. – Москва: Наука, 2013. – 113 с.
2. Пул, Ч. Нанотехнологии / Ч. Пул, Ф. Оуенс. – М. : Техносфера, 2005. – 336 с.
3. Углеродные нанотрубки, статья в Wikipedia URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube
4. Метод Хаммера, статья в Wikipedia URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Hummers%27_Method